ZnO-MnO2基陶瓷微波介電性能及LTCC特性研究.pdf

1、近年來，通訊行業(yè)的快速發(fā)展，對微波介質(zhì)陶瓷材料的性能提出了進(jìn)一步的要求，同時也促進(jìn)了其快速發(fā)展。并且，將微波介質(zhì)陶瓷材料應(yīng)用于LTCC領(lǐng)域也是行業(yè)的熱點(diǎn)。另外，很少有人研究鋅錳ZnO-MnO2基陶瓷的微波介電性能，基于此，通過固相燒結(jié)法，以鋅錳ZnO-MnO2基陶瓷為對象，研究了不同鋅錳比例的陶瓷的相結(jié)構(gòu)、反應(yīng)機(jī)理及其微波介電性能；進(jìn)一步通過離子取代，研究了其對陶瓷的相成分、微觀形貌、介電性能的影響規(guī)律；探索了摻雜助燒劑對陶瓷的燒結(jié)溫度

2、和介電性能的影響規(guī)律，最后進(jìn)行有機(jī)流延，研究了陶瓷粉體的流延特性及其與銀共燒匹配性。
　　首先研究了不同鋅錳比例的鋅錳陶瓷材料的相結(jié)構(gòu)，通過不同的工藝和燒結(jié)溫度，所得到的陶瓷的主晶相均為ZnMn2O4，說明ZnMn2O4相較ZnMnO3、ZnMn3O7更為穩(wěn)定。因而，僅通過單純地控制ZnO和MnO2粉末的比例，利用固相反應(yīng)法，無法合成相對應(yīng)的氧化物陶瓷，如ZnMnO3，ZnMn3O7。當(dāng)鋅錳比例為1:1，1:2時，陶瓷中有少量的Z

3、nO剩余。當(dāng)鋅錳比例為1:3、1:4、1:5及純MnO2時，得到的陶瓷為單一相類尖晶石結(jié)構(gòu)ZnMn2O4。為此，進(jìn)一步推斷出鋅錳反應(yīng)過程為核殼結(jié)構(gòu)，ZnO圍繞MnO2核，反應(yīng)形成ZnMn2O4基的類尖晶石相。在加熱過程中，MnO2相繼轉(zhuǎn)變?yōu)镸n2O3和Mn3O4，從而生成ZnMn2O4和(Zn, Mn)Mn2O4的固溶體。但(Zn, Mn)Mn2O4固溶體阻礙ZnO顆粒擴(kuò)散到核心，因而在ZM11、ZM12陶瓷中，多余的ZnO相被檢測到。

4、此外，MnO2含量的增加和預(yù)燒時間的延長有利于形成單一的ZnMn2O4基類尖晶石。
　　研究了不同鋅錳比例的陶瓷的微波介電性能。在1450 ℃燒結(jié)，能得到較為致密的陶瓷，但也有氣孔存在。因?yàn)閆nO損耗大，只有當(dāng)所得的鋅錳氧化物陶瓷不含ZnO相時，即除ZnO:MnO2(ZM11), ZnO:2MnO2(ZM12)外，才具有微波介電性能。當(dāng)Mn含量增多時，即鋅錳比例減小，晶粒先增大后變小，致密度先提高，后又降低。其εr和Q×f值先升高

5、后降低，而τf值為負(fù)且大小逐漸減小。在1000 ℃/3 h預(yù)燒，1450 ℃/3 h燒結(jié)得到的ZnO:3MnO2(ZM13)陶瓷展現(xiàn)出良好的介電性能：εr=8.1，Q×f=14209 GHz，τf=－69.2 ppm/ ℃。
　　研究了B位Ti取代的Zn(Mn1-xTix)3O7（ZMT）陶瓷的相成分、微觀形貌和介電性能的變化規(guī)律，以及助燒劑的降燒作用。結(jié)果表明，ZMT的相成分與x值密切相關(guān)。ZMT（x=0）的相成分為單一的尖晶石

6、結(jié)構(gòu)ZnMn2O4，ZMT（x=1）的相成分為Zn2TiO4與金紅石(TiO2）的混合物。此外，觀察到x=0.6，陶瓷形成純ZnTiO3固溶體。x=0.8時，相成分為ZnTiO3固溶體和第二相金紅石。ZMT陶瓷的介電性能也隨著x的增加而改善。ZMT（x=0）陶瓷的介電性能：εr～8.1，Q×f～14209 GHz，和τf～－69.2 ppm/ ℃。隨著x的增加，εr開始增加到最大值33.08(x=0.8)，然后又下降；而Q×f逐步增大；

7、τf由負(fù)到正變化（－69.2～+289.2ppm/ ℃）。并且，適量的Ti取代Mn，陶瓷致密性顯著提升，微波介電性能明顯改善，燒結(jié)溫度降低200～300 ℃。此外，少量添加H3BO3和鋅硼玻璃（ZBG），進(jìn)一步使燒結(jié)溫度降低，并提升致密度，當(dāng)添加5wt.％鋅硼玻璃（ZBG），陶瓷獲得較低的燒結(jié)溫度和較好的微波介電性能。
　　在Zn(Mn1-xTix)3O7（ZMT）的系列化研究基礎(chǔ)上，找到x=0.6～0.8之間，τf由負(fù)變正的零點(diǎn)

8、，即研究得到Zn(Mn1-xTix)3O7（ZMT）體系近零溫度系數(shù)的確定x值，且進(jìn)一步對獲得的粉體進(jìn)行有機(jī)流延，探索ZMT薄膜與銀的共燒匹配性，得到了一種溫度穩(wěn)定的LTCC材料。結(jié)果顯示，改變Zn(Mn1-xTix)3O7體系的x值，可以調(diào)節(jié)τf值。當(dāng) x=0.68時，獲得一種優(yōu)越的微波陶瓷材料：εr=18.2，Q×f=12018GHz，τf=－3.98ppm/℃，燒結(jié)溫度為900℃；另外，添加合適的分散劑增塑劑等進(jìn)行有機(jī)流延可得到均